姜雅萍非接触式IC卡读卡器设计方案终稿.docx

1、姜雅萍非接触式IC卡读卡器设计方案终稿学 生 毕 业 论 文非接触式IC卡读卡器设计学生姓名： 姜雅萍 入学时间： 2008年9月 专业名称： 计算机控制技 班 级： 08级计算机控制技术 指导教师： 李 颖 职 称： 讲 师 烟台汽车工程职业学院二一一年五月非接触式IC卡读卡器设计摘要 非接触式IC卡是IC卡领域的一项新兴的技术，它是射频识别技术和IC卡技术相结合的产物。由于非接触式IC卡具有操作快捷、抗干扰性强、工作距离远、安全性高、便于一卡多用等优点，在自动收费、身份识别和电子钱包等领域具有接触式所无法比拟的优越性，具有广泛的市场前景。非接触IC卡读卡器是非接触式IC卡应用系统的关键设备

2、之一。 本文首先研究了基本的理论，包括射频识别技术、ARM处理器体系结构和嵌入式系统，然后基于这些理论，给出了非接触式IC卡读卡器的设计方案。系统由三个部分组成：第一部分是读卡器的收发模块，选用Philips公司的高集成度非接触式读写芯片MF RC500设计射频收发模块，对射频芯片接口电路设计做了详细的论述；第二部分是核心控制模块，以Philips公司的ARM7芯片LPC2292为核心，对电源供应电路、存储器电路、通信接口电路、LED显示电路等设计做了一定的描述，并给出了电路。第三部分是系统的程序设计，采用移植嵌入式系统并添加任务的模式来实现读卡器的各功能。通过对软硬件的调试实现了非接触式IC

3、卡读卡器的硬件与软件平台的构建。关键词 非接触式IC卡 读卡器 嵌入式系统Contactless IC card readerAbstract Contactless IC card is IC card field an emerging technology, it is rfid technology and IC card techniques. Because contactless IC card have operation quick, anti-jamming of strong, work, high security, distance etc card holders

4、for a fee, in automatic identification and electronic purse which fields of the incomparable advantages of contact, with wide prospect of market. Non-contact IC card reader is contact IC card is one of the key equipment application system.This paper first studied the basic theory, including the rfid

5、 technology, the ARM processor architecture and embedded systems, and then based on these theories, giving a contactless IC card reader design scheme. System consists of three parts: the first part is the card reader transceiver module, selects the high level of integration Philips company RC500 non

6、-contact literacy chip MF designing rf transceiver module, interface circuit design for rf chip to do a detailed elaboration; The second part is the core control module, Philips company in the LPC2292 ARM7 chip for the core, to power supply circuit, memory circuit, the communication interface circui

7、t, LED display circuit design done some description, and gives the circuit. The third part is the system programming, adopt transplant embedded system and add tasks to realize the card reader mode of each function. Through the software and hardware debugging realized contactless IC card reader hardw

8、are and software platform building.Keywords Contactless integrated circuit card card reader embedded system第一章 绪论1.1 非接触式IC卡发展历程非接触式IC（CICC-Contactless Integrated Circuit Card）也称为无触点集成电路卡、射频卡或非接触式智能卡。早在1968年，德国的Jurgen Dethloff和Helmut Grotrupp就提出将集成电路装入身份识别卡中的想法，并与同年获得专利授权。1969年12月，日本的Kunitaka Arimur

9、a提出一种制造安全可靠的信用卡方法，并与1970年获得专利授权，但是被称为识别卡或ID卡（Identification Card）。然而，在当时，他们仅仅是提出把集成电路芯片装入卡中，并没有具体给出完整的应用方案。直至1974年，法国的罗兰.莫雷诺（Roland Moreno）的工程师提出了将一个集成电路芯片嵌装于一块塑料基片上构成一张存储卡的想法，并按此方法做出了一张卡片，这是世界上的第一张IC卡。1977年6月，CII-Honeywell bull公司将4Kbit的MOS存储器引入芯片，形成了存储型IC卡的雏形。1978年，第一张采用Siemens SIKART集成电路芯片的IC卡身份识别

10、及交易卡（identification and transaction card）诞生了。1980年11月，第一张装有CPU的IC卡（cardiac pacemaker user identity card）诞生，卡中装有CP8微处理器，由CII-Honeywell Bull公司制造。1984年法国的PPT(Posts,Telegrath and Telephones)将IC卡用于电话卡，由于IC卡具有良好的安全性和可靠性，获得了意想不到的成功。随后，国际标准化组织(ISO,International Organization for standardization)与国际电工技术委员会（IE

11、C,International Electro-technical commission）的联合技术委员会为IC卡及相关技术指定了一系列的国际标准和规范，极大地推动了IC卡的发展历程。早期的IC卡为接触式（Contact Card）,即：卡片与读卡器间的信息和能量传递只能通过机械式电触点进行。随着应用规模的扩大和范围的拓展，卡片与读卡器双方这些裸露且存在相互位移的机械式电触点的易受污染、腐蚀和磨损等不良因素既影响工作可靠性、又增大维护难度的缺陷日益明显；而卡片饿插拔的方向性要求和耗时，更大的制约了其使用的方便快捷性，尤其对于老人、小孩和残疾人，甚至限制阻碍了其在环境恶劣、流动性大，但对使用的快

12、捷便利性要求较高的公共交通和通道控制等诸多领域的应用。而另一方面，这些深入人类生活各个方面的非金融应用市场，却呈现出来越来越诱人的灿烂前景，于是，寻求解决上述难题的途径和方法，成为世界各大电子公司竞相追逐的目标。以致从20世纪90年代中期开始，建立于现代微电子技术和80年代已经蓬勃发展的射频识别（Padio Frequency Identification,RFID）技术至上的各种非接触式IC卡（CICCContactless Integrated Circuit Card）应运而生。当前，世界上生产IC卡的企业主要有Siemens、Atmel、Motorola、Bull(法国布尔公司)、sc

13、hlumberger(法国斯伦贝谢公司)、ISSI、STMicoroelectronics(意法半导体有限公司)Samsung、Philips、Toshiba、Hitachi等公司。国内IC卡及相关产品的生产企业主要有上海复旦微电子股份有限公司、深圳市明华澳汉科技有限公司、北京握奇智能科技有限公司、北京航天金卡电子工程公司、北京大唐微电子有限公司、上海贝岭股份有限公司、上海华虹集团有限公司等。中国IC卡产业起步虽晚，但发展迅猛，通过引进先进的IC卡封装生产线，在短短的几年间，整体生产能力达到2亿张左右。全国IC卡应用装置的开发和系统集成厂商也达到500多家左右。金卡工程作为中国信息化建设的起步

14、工程之一，于1993年启动实施。随着金卡工程建设的不断深入发展，IC卡的应用领域不断扩展，目前已经建立起一条完整的IC卡产业链，各类IC卡，IC卡读写器等产品已将占据了国内市场80%以上的份额，新兴的IC卡产业已经成为国民经济新的持续增长点。1.2非接触式IC卡的主要特点由于非接触式IC卡与读写器之间的通信时借助“空间媒介”电磁波进行，不存在机械运动机构和电触点。因此，在保留接触式IC卡原有的有点的同时，又具备如下诸多有点。（1）操作便利快捷无需拔插卡，将卡片靠近或者掠过读写器表面，即完成操作，操作极其方便。（2）可靠性高，寿命长卡片与读写器间无机械接触和位移，故不存在接触式读写器可能出现的各

15、种机械故障；卡与读写器均无裸电触点，无需担心出点破损和脱落所导致的卡片失效；卡与读写器均为全封闭防水、防尘结构，既避免了静电、尘污和水汽等对卡和读写器的影响，可以防止粗暴插卡，异物插入读写器插槽以及因读写器“吃卡”而导致使用者恼怒之极对其报以拳脚等认为破坏现象。这些都将大大提高卡片乃至机具的可靠性和使用寿命。（3）防伪性好卡上拥有一由制造商在产品出厂前固化于芯片的32152位字长序列号，一旦写入即永远不可以更改，且世界唯一。（4）安全性好卡与读写器可采用3次相互确认的双向验证机制，在读写器验证卡的合法性的同时，卡耶对读写器的合法性进行验证。通信数据可加密，以防止型号截取。卡内各存储区可拥有自己

16、的操作密码和访问条件，以防止未授权非法访问，并实现芯片传输密码保护。（5）抗干扰能力强可建立防冲突（反碰撞，Anti-collision）机制，同一时间“同时”处理多张卡，且不出现相互间的数据干扰。（6）一卡多用用户根据自己自身需求、灵活定义个数据区的密码和访问条件，以便互不影响地分别满足不同场合、不同用途的需求。（7）隐蔽性必要时刻将读写器安装于非金属的建筑物体内，以防止人为攻击和环境破坏，又可以兼备安全防卫和管理控制等所需要的隐蔽性。1.3非接触式IC卡读写器国内外现状日前国内非接触式IC卡读卡器按照应用的场合不同出现全面发展的趋势，有读写器模块、便携式读写器、高频读写器、双频标签读写器、

17、微波读写器、低频读写器等各种各样的产品供应。这些产品有适合近距离读写、有适合远距离读写的。他们都有一个共同的特点，同质化严重，各种产品之间的差别不大，性能也相似，基本上都采用读卡器芯片加单片机的结构，而核心技术并不在自己手上，缺乏成套系统的自主产权。读卡器的核心部件读卡器芯片的控制权掌握在国外公司手中，整个读卡器市场的利润的最大一块也被国外公司如TI、NXP等芯片厂商拿走。而且随着市场的发展，这些国外公司在加强对整个非接触式IC卡系统的控制，而且不断的有新的实力雄厚的公司加入这一行，如ST（意法半导体）等觊觎这一发展迅速的市场。TI公司提供从读卡芯片、读卡模块、读卡器、电子标签，系统应用等一整

18、套设备及服务。NXP提供读卡芯片、电子标签等核心部分给下游厂商，牢牢控制着市场的主动权。不过欣慰的是，我国在非接触式IC卡技术的研究方面发展很快，在非接触式IC卡技术研究及产品开发方面国内已具有了自主开发低频、高频与微波的电子标签与读写器的技术能力及系统集成能力。目前国产核心芯片，电子标签芯片业出现了市场上与国外巨头争夺市场。复旦微电子研制的FM17XX系列读卡器专用芯片可以喝NXP公司的MFRC500、MFRC531、MFRC632管脚兼容，FM11RF系列非接触式IC卡芯片容量从512位到32K位，适合大部分应用场合。随着技术的进步，读卡器会随着多功能如条码识别、无线数据传输、以太网传输等

19、方向发展，读卡器的成本也会越来越低，同时阅读器将实现多制式多频段兼容、多功能、多制式小型化、模块化、嵌入式方向是读卡器发展的趋势。本文中的读卡器是符合这一发展方向的尝试，具有多楼口，可扩展的特点。1.4选题背景及课题任务本课题的背景是校园一卡通系统收费终端的应用，随着科学技术的飞速发展，社会的日益信息化，技术的不断革新，要求的不断提高，需要设计出一个扩展功能丰富，性能更加稳定的，具有友好人机界面的嵌入式智能终端，来取代现在市场上的基于51单片机的收费终端。本读卡器必须简单易用，为了实现网络数据的传输，必须具有相应的接口。因此对本读卡器的要求是人机交流界面友好，具有扩展接口可实现网络接口功能。1

20、.5本文的机构安排本文研究和设计的主要对象是基于ARM的非接触式IC卡读卡器。第1章 绪论主要是介绍课题的意义，非接触式IC卡及非接触式IC卡读卡器在国内外应用与发展的一些情况。第2章 射频识别技术及理论主要对射频识别技术的发展情况和系统的组成分类作了进一步的阐述，较全面地概括了射频识别系统的基本情况。第3章 ARM处理器体系结构主要对ARM处理器作了简要概述，从ARM技术的发展历程来对ARM处理器做了阐述，然后简要叙述了下ARM的体系结构，指令系统，最后从实际的应用选型角度考虑，分析如何选择基于ARM核的芯片组件嵌入式硬件系统。第4章 读卡器硬件电路设计这一章是本文的核心章节，重点介绍了读卡

21、器的硬件电路设计。包括MCU模块、射频芯片模块、天线、通信模块、电源模块等硬件电脑设计。第5章 读卡器系统软件设计在读卡器硬件基础上，对系统的软件框架作了分析。然后对读卡器所使用的uC/OS-II操作系统作了简单的介绍，并详细叙述了uC/OS-II的移植。重点介绍了射频芯片RC500的指令系统，部分程序设计以及软件流程。第6章 总结总结全文并进行展望，对那里课题研究中的成果与不足。第二章 RFID技术及理论RFID的全文是“Radio Frequency Identification”，直译成中文是“无限射频识别系统”，还有其他很多的称呼像是“无线IC标签”、“射频识别标签技术”、“电子标签”

22、、“感应卡”等等，是一种透过无线电波来做到非接触的资料存取的技术，通过无线通讯（Wireless Communication）结合资料存取技术(Information Technology),再连结背后的资料库系统，形成一个庞大且串连在一起的系统。正是射频识别技术的大力发展，使之能够与IC芯片的发展相结合，将很多技术应用到IC芯片中，促进了非接触式IC卡的产生及迅猛发展。正是非接触式IC卡的大量运用，因此有时射频识别结束就是指非接触式IC卡的应用系统，因此本章将简略介绍一些射频识别技术的相关知识，以利用进一步了解非接触式IC卡的原理和应用系统结构。2.1 RFID系统的结构RFID技术是指一种

23、非接触式的自动识别技术，基本原理是利用无线射频识别信号的空间耦合（电磁感应或者是电磁传播）的传输特性，实现对被识别对象的自动识别。RFID系统通常由电子标签、读写器、计算机通信网络三部分组成，图2.1是RFID系统（射频识别系统）的结构框图。计算机通信网络图2.1 RFID系统的结构框图电子标签存储着需要被识别物品的信息，通常被放置在需要识别的物品上，它所存储的信息通常可别射频读写器通过非接触方式读/写获取。（1）读写器读写器是可以利用射频技术读/写电子标签信息的设备。读写器读出的电子标签信息可以通过计算机以及网络系统进行管理和信息传输。（2）计算机通信网络在射频识别系统中，计算机通信网络通常

24、用于对数据进行管理，完成通信传输功能。读写器可以通过标准的接口与计算机通信网络连接，以便实现通信和数据传输功能。2.2 RFID系统的电子标签读卡器间能量传输载频13.56MHz的标准RFID系统属于近场识别范畴，此时之电子标签读卡器通信可简单的归纳为两种类型信号传输：能量传输和信息（即数据）传输。前者是单向的，传输方向只能是“读写器-电子标签”；后者是双向的，存在由读卡器至电子标签的“写”和由电子标签到读卡器的“读”两个方向的操作。此节先介绍前者。鉴于非接触式IC卡系统选取13.56MHz载波的波长为22m，较电子标签与读写器天线间的距离大许多倍，则可将电子标签和读卡器间的内磁场视为简单交变

25、磁场，电子标签和读卡器间的的耦合关系理解为以读写器天线为初级线圈、电子标签天线为次级线圈的变压器耦合。正式这种耦合，确定了电子标签和读卡器双方特有的结构形式，因此，对耦合方式的了解是理解PFID系统原理和结构的前提，该部分的内容实际上也是相关国际标准的主要内涵。ISO7810国际标准的ID-1规范对于电子标签的厚度的限制和超薄电池的实用化还有待时日的现状，使得当今所有保准非接触式IC卡都只能是无源式电子数据载体，芯片所需要能量必须经天线耦合，有读卡器的交变磁场即射频（RF）能量场“感应”获取，读写器的天线线圈L1与电容Ci组成的LC并联谐振贿赂，其谐振频率与工作（发射）频率相符，以增大读写器天

26、线电流，提高磁场强度，改善电子标签和读卡器间耦合效果。电子标签的天线线圈L2与电容C1组成具有相同谐振的振荡回路，此谐振也有利于改善耦合效果即能量传输效率。从理论上讲，电子标签谐振频率与读写器谐振频率的精确一致，是提高耦合效果的最佳选择，他们之间的任何差异都将降低系统性能，严重时甚至可能发生“零调制”（电子标签和读卡器间谐振频率的失配将导致读写器载波信号与电子标签返回的调制信号间的相移，当此相移达到90度是，两信号将相互抵消，调制信号丢失），导致电子标签电源电压减小，信号丢失；但实践中并非总是如此，原因如下所述；（1）LC原件制造和安装精度的有限性将导致实际LC参数乃至二谐振频率的偏差和差异。

27、为此，部分芯片制造商在电子标签芯片中附加了微调电容器，以便在生产时通过对这些电容器的针对性接通和断开，调整电子标签谐振频率，减小次偏差，实现电子标签和读卡器间的谐振频率的匹配。该手段也可用于读写器的LC振荡回路，通过增加或减少福建电容的方法，实现读写器谐振频率的最佳化。而另一些电子标签芯片（如Atmel公司的Temic系列RFID中的e5560/5561加密读写应答器）则具备自适应调谐功能；芯片每次进入RF场（即上电复位）时，均可自动转接与其LC振荡电路并联的片上电容，将自己的谐振频率调整至读写器的谐振频率，则即便读写器谐振频率稍有便或或者同一电子标签用于谐振频率有异的多个读写器，电子标签芯片

28、也能自动选取最佳的谐振频率。（2）技术的原因要求人为使电子标签谐振频率稍高于读写器谐振频率。譬如，鉴于同时出现在同一磁场且相互靠近的两个电子标签的共同谐振频率，总是低于单个电子标签的谐振频率。因此，在具备反碰撞功能要求的13.56MHz系统，常常将电子标签谐振频率提高几个百分点为1518MHz，以减小这类影响。电子标签和读卡器间的能量传输效果不仅与读写器的场频、天线线圈匝数和环绕面积，且与线圈电流有关（与调制方式等也有关）。因此，在降低天线驱动级功耗的同时，适当提升其电源电压和输出功率，常常是增加场强，扩大能量和数据传输距离的有效途径。2.3 RFID系统的电子标签读卡器间信息传输读写器与电子

29、标签间的信息传输是一种建立在已有数字通信理论和技术机床之上的电感耦合式半双工数字通信。图2.2即为数字通信的系统模型，其中： 发送端 接收端信道解调信道解码信源解码信宿调制信道编码信源信源编码噪声源图2.2 数字通信系统模型信源是拟传输的原始信息（数据），即基带信号；信宿为信息传输的终点，与信源对应。在非接触式IC卡应用系统，他们即为电子标签和读卡器双方的存储区。信道是信息传输的路径和空间，对标准非接触IC卡系统，只能是以电磁波为媒介的无线信道。信源编码又称压缩编码，其作用是使模拟信号数字化和以相应形式编码表示二进制数“1”和“0”。对其基本要求是：在保证一定传输质量的前提下，用尽可能少的数字

30、脉冲表示信源的基带信号，以提高信号传输有效性。信道编码又称纠错编码，其作用是在信源编码输出信号中，按相应的规则增添若干位纠减错信息，形成对应至信息编码输出，以便接收端可按此发现和纠正信号在信道传输中出现的错误，保证通信的可靠性。调制的作用是鉴于将基带信号直接送至信道的基带传输只能使用有限信道，且传输距离有限，因此，将基带信号调制到高频载波信号上形成频带信号后，再送入有线或无线通道，已实现信号的远距离频带传输。接收端的信源解码，信道解码和解调是分别与发送端信源编码，信道编码和调制相对应的反变换。2.3.1编码类型数字通信系统有信源编码和信道编码两类编码。前者以提高信息传输的有效性为目标，即力求在

31、保证一定的传输质量的前提下，尽可能减少传输信息冗余度；后者的作用则在于降低误码率，提高可靠性。由发送端在拟传输信息序列加入与之存在某种约束关系的若干位监督吗（纠检错信息），接收方则根据接收信息中这种关系被破坏与否来检查传输错与乃至纠错。显然，由于其增大了传输信息的冗余度，因此其提高可靠性的代价是牺牲传输有效性。现在对二类编码分别介绍如下。2.3.1.1信源编码数字通信系统所需要的所有传输信息都是以二进制数“0”和“1”表示的脉冲序列，在送入信道发送前，往往要先对之进行信源编码，以形成相应的传输码。由于传输信道的特性差异和不同场合对传输指标的不同需求，这类编码即“0”和“1”的表示形成常常也不同

32、。常用的数字信号编码有不归零编码、曼彻斯特编码和差、曼彻斯特编码、米勒编码。（1）不归零编码不归零编码是基带信号的最简单表示形式，在这类编码的每个码元周期中，信号电平均保持不变。其包含单极性不归零码和双极性不归零码两种形式；单极性不归零码用信号波形的零电平和正（或负）电平分别表示逻辑“0”和“1”。特点是脉冲极性单一，脉冲宽度与码元宽度等同，传输信道中有较大直流分量。双极性不归零码则用脉冲的正负极性表示逻辑“0”和“1”。特点是脉冲快读与码元宽度等同。当“0”和“1”的出现概率相同时，无直流分量，抗干扰能力强。（2）曼彻斯特编码曼彻斯特编码亦称为裂相编码或双向吗。每一码元均被分成互补的两半部分：单前一半为高电平时，后一半必须为低电平，表示逻辑“1”；当前一半为低电平时，后一半必须为高电平，表示逻辑“0”。特点是每个码元的中心均存在电平跳变，若无跳变则视为异常。在ISO/TEC14443中的Type A类型非接触IC卡的